通过控制膜污染降低MBR运行成本的方法

摘要：MBR膜污染问题不仅会间接导致运行成本的增加，而且不利于工艺的连续稳定运行。因此，研究控制膜污染的方法和技术时，需要将降低运行成本作为前提条件。通过介绍国内外控制MBR膜污染的主要方法及研究结果，为MBR膜生物反应器在水处理领域的广泛应用提供参考。主要方法包括进水预处理、改性或开发新型膜材料、改善MBR工艺污泥混合液特性、优化膜反应器运行条件以及寻求高效的清洗方法等。

关键词：MBR；膜污染；运行成本

中图分类号：X5 文献标识码：A

The Study on the Operation Cost Reduce for MBR by Membrane Fouling Control

XU Wei, HE Qian-feng, CHEN Xiang-bin, YOU Jian-jun

(Zhongnan Engineering Corporation, HunanChangsha410014, China)

Abstract: Membrane fouling can increase operating costs indirectly, and make against to stable operation of MBR. Accordingly, the study on membrane fouling control will be based upon the operation cost reduce. Some methods and the results of research how to control the membrane fouling were introduced. It included raw water pretreatment, the development and modification of Membrane Materials, adjusted mixed liquor characteristics, optimization operating conditions and enhanced the chemical cleaning effect ,which would offer reference for the application ofMBR in the field of water treatment.

Key word: membrane bio-reactor; membrane fouling; operation cost

膜生物反应器（MBR）以其稳定优质的出水等众多优势，为提高污水排放标准、大力推进再生水利用率提供了技术保证。然而，运行成本较高以及膜污染问题一直是限制其广泛应用的主要原因。目前有关MBR研究的热点也主要集中在这两个方面。通过大量实践及研究结果表明[1]：膜污染不仅缩短了膜的使用寿命，也直接导致泵的抽吸水头和曝气量增加，是造成 MBR 运行成本增加和膜组件频繁清洗与更换的主要原因。MBR 运行中的运行费用问题有很大一部分实质上是膜污染问题。因此，研究控制膜污染的方法和技术时，需要将降低运行成本作为前提条件。

膜污染防治技术的研究主要包括以下几个方面[2~4]：（1）进水预处理；（2）改性或开发新型膜材料；（3）改善污泥混合液特性；（4）优化膜反应器运行条件；（5）寻求高效的清洗方法。通过控制膜污染来达到延长清洗周期、增大膜通量和延长MBR膜组件寿命的目的，从而降低运行成本和膜组件的损耗。

1进水预处理

进水中的大颗粒杂质、悬浮物、重金属、有机和无机胶体等对MBR膜的污染有很大影响。因此，在进入膜反应器前对进水进行适当的预处理可以有效降低MBR膜的污染负荷，改变料液或溶质的性质，减轻膜污染。

常用的预处理方法有：过滤、混凝沉淀、吸附、臭氧处理等。如Bentem 等[5]将原水先经格栅预处理后再进行MBR膜过滤，原水中的SS 去除率为30%～60%，COD 去除率为10%～15 %，从而降低了MBR膜的污染负荷，减缓了膜污染。

混凝剂的加入可有效的减缓初始膜污染。相对而言，铁盐比铝盐投加效果更显著。张永宝等[6]向进水中加入铁盐混凝剂，不但可提高了膜通量、减缓膜污染，还能够改善污泥性状，形成大颗粒污泥絮体。对料液进行预处理时，除了考察对膜污染缓解程度之外还要考虑预处理方法所带来的成本增加，选出一个最经济的絮凝剂、活性炭的投加量。

2 改性或开发新型膜材料

影响膜污染的主要膜性能包括：膜材质、膜孔径、膜厚度、孔隙率、表面电荷、膜表面粗糙度、亲水性等。除了开发新型抗污染膜材料，还可以通过改变膜表面的物理化学性质来提高膜的抗污染能力。

目前常用的有机膜材料有：聚丙烯、聚乙稀、聚砜、聚偏氟乙烯等。王猛等[7]通过处理生活污水的比较试验发现，在产水量、抗污染性能方面聚丙烯膜优于聚砜膜。Choo 等[8]研究发现，聚偏氟乙烯膜的污染速率要小于聚砜膜、纤维素膜等有机膜。许多研究表明，经氢氧化铁改性后的膜抗污染性能好，污染膜清洗后通量恢复率高。对于疏水性、易受污染的膜，如聚砜等，可采用移植亲水性基团或交链复涂等方法来改善膜表面的亲水性[9]。

由亲水性材料组成的膜与水分子间能形成氢键，可在膜表面形成一层有序的水分子层结构，抗污染能力更强，同时亲水性的膜表面与水的界面能较低，有利于清水的通过[10]。纤维素、聚丙烯是亲水较好的膜材料[11]。无机陶瓷膜比有机膜具有更优良的亲水性能并且渗透通量更大[12]。[13]等比较了PVDF 膜和陶瓷膜与产水通量的关系。实验表明陶瓷膜的污染速度受到通量变化的影响则比PVDF 膜要小，变化比较平缓。

近年来的研究表明，仿生膜能很好地解决传统膜许多难以克服的缺点，如果能实现工业化生产，必将大大促进 MBR 的广泛应用。

3 改善污泥混合液特性

混合液中固着性EPS 和SMP 浓度是引起膜污染的主要因素。两者没有明确的区分，Laspidou 等[14]认为SMP 与EPS 是同一物质。近年来，大量研究表明EPS 是优势污染物，微生物通过这些物质相互粘连形成菌胶团，并在过滤过程中显示出较强的压密性，使过滤阻力不断升高，膜污染加剧。Choi [15]研究发现，由于丝状菌比菌胶团细菌产生更多的EPS，所以当发生污泥膨胀时，膜污染更为严重。Tian 等[16]的试验结果也验证了这点，并发现EPS 在膜孔吸附中有重要作用，进而引起了不同形式的膜污染。

研究表明[17]，可以通过操作条件的调整可以改变 EPS 与SMP的组成和含量，在保证污泥系统正常运行的同时维持良好的膜通量。也可以通过向MBR反应池中投加填料、絮凝沉淀等处理来降低混合液悬浮物浓度，改善污泥活性，从而减缓膜污染的速率[18~19]。目前使用较多的填料有粉末活性炭(PAC)、沸石、泡沫填料、多孔柔性悬浮填料、聚酰胺弹性填料、壳聚糖等[20]。国内外对投加PAC减缓膜污染的研究较多，如JS Kim[21]等人发现向MBR 中投加PAC 后，能够加强对膜表面的冲刷，减少膜表面颗粒物黏附程度，从而延长清洗周期，增加膜通量。曹占平[22]在进水水质和运行条件均保持一致的情况下，投加浓度为500mg/L的PAC，清洗周期又40d延长至70天。

李洋洋[23]等通过投沸石减小膜过滤阻力，并确定了最佳投加量为500mg/L。成英俊等[24]按有效容积25 % 的比例投加悬浮填料，投加后的膜丝比流量比未投加时要高。

无机混凝剂能够通过电中和与架桥作用去除SMP，同时能够破坏混合液中胶体的稳定性，增强污泥的絮凝性，降低上清液小颗粒物，减缓该类物质引起的膜污染[25]。目前主要使用的混凝剂为铁盐与铝盐。Mishima等[26]研究表明，对于加入等量的铁盐和铝盐作为絮凝剂时，铁盐的效果较好。Wang 等[27]确定了向反应器中投加Fe(OH)3最佳投加量为5%，当不投加Fe(OH)3或者投加量不足或者投加过量时，活性污泥都不能很好地吸收溶解的有机物质。

4 优化膜反应器运行条件

MBR膜反应器的运行条件主要有膜通量、抽停比、气水比、污泥龄、反洗等。

（1） 膜通量

一般认为膜存在临界膜通量，当实际采用的膜通量低于临界膜通量时，膜过滤压力保持平稳且膜污染不发生或者发生相当缓慢；反之，膜过滤压力迅速上升，膜污染急剧发展且可逆性显著下降。因此, 要想控制膜污染的发生, 使膜生物反应器长期稳定的运行，就要将反应器控制在次临界通量下运行。Detfance L 等[28]的试验结果表明，临界通量下的恒通量操作，避免了过滤初始阶段膜的过度污染，因而比恒定膜过滤压差的操作要好。另外提高膜表面的错流速度，使膜表面的流态处于湍流状态，有助于够改善膜的透过性，即提高膜的临界通量。但是提高膜面流速往往需要较高的电耗，因此要通过计算吨水运行成本来综合考虑是否可行。

（2） 抽停比

抽停比即间歇出水。在膜生物反应器的运行中，由于抽吸过滤及截留作用，污染物质向膜表面运动并且会在膜的表面沉积、浓缩，即所谓的凝胶层形成和浓差极化现象。一般通过曝气的方式对膜表面的产生剪切作用，使污染物向主体混合液反向运动。当一体式MBR 采用连续过滤方式出水时，滤饼层和凝胶层不断加厚，膜污染逐渐加重。而间歇式出水时，在反应器的空曝气阶段，由于膜的抽吸作用消失，膜表面沉积污染物质向主体料液的运动占主要方面，此时气液两相流动可以将已经沉积在膜表面的污染物质剪切下来，从很大程度上缓解膜污染[22]。空曝气的时间越长，对膜污染的缓解作用越好。但是延长空曝气时间会使反应器的出水效率降低，增加基建和运行费用，所以需要找到最优的出水和空曝气时间比，即能保持膜污染速度维持在较低的水平，又使反应器的出水效率维持在一个较高的水平上[29]。

（3）气水比

在MBR工艺的操作过程中，曝气的作用至关重要，它不但起到为微生物提供溶氧的作用，同时会直接冲刷膜表面，以防止活性污泥在膜表面形成密实稳定的滤饼层。因此其气水体积比明显高于传统处理工艺。Ueda[30]等发现在长期运行时，较低曝气量就会导致污染物在膜面上的快速累积。Yu等[31]发现随着曝气强度的增大，气、液二相流的紊动性增大，进而使得临界通量也不断增大，这是延长微滤膜稳定运行时间的有效方法。但是如果曝气强度过高将会打破生物絮体，增加EPS 浓度，也会加速膜污染。张传义[32]通过在不同曝气强度下进行实验，发现在低的曝气强度时，沉积层造成的阻力是主要构成因素且阻力随压力增加而降低。当曝气强度增加到一定程度后，由膜孔的吸附、堵塞和膜面凝胶层造成的阻力成为污染的主要构成因素。因而，存在一个经济曝气强度，即最佳气水比，即可有效地防止滤饼层在膜面的沉积，又不会将生物絮体打碎，在有效控制膜污染增加的同时节约能耗。杨小丽等[33]进一步通过实验根据回归方程得到了不同污泥浓度下的经济曝气强度。

表一 不同污泥浓度下的经济曝气强度

污泥浓度（g/L） 2 4 6 8

经济曝气强度（L/m2.h） 375 450 500 700

（4）污泥龄（SRT）

实验研究表明，SRT 太短对控制膜污染不利。Cho 等[34]研究指出，随着SRT的缩短，活性污泥EPS 产率随之增加，膜污染速率及程度有所上升。Ng等[35]研究结果显示，SRT的延长会提高膜透水率，SRT 为10 d 和20 d 时的透水性要优于3 d 和5 d 时，同时他们观察到，膜污染速率随着SRT的变短而增大。但另有研究指出，过长的SRT 也会对膜污染产生负面影响。Lee等[36]认为，当SRT 从20 d 延长至40 d、60 d 时，总污染阻力呈现增大趋势。Han 等[37]也通过试验发现，随着SRT的增加(30 d ，50 d，70 d 和100 d )，膜污染加重。有研究表明，最佳SRT 范围是20～50 d[38]。

（5） 在线反洗

对于膜表面吸附溶质形成的膜污染中的初期污染层，大部分是可逆的。所以控制膜污染、提高膜生物反应器运行稳定的重点应该是控制膜组件运行前期的膜污染，在线反洗就是针对此而进行。

定期空气反洗或水反洗不仅可以将膜面的泥饼层吹脱，还可以将膜孔中的污染物清洗掉，从而获得稳定的膜通量，但是对膜组件的强度和性能要求较高[39]。

孙新[40]等对MBR膜采用采用在线空气反冲洗和在线清水反冲洗的方式，其膜通量最大都可恢复至95%以上，而两次在线清水反冲洗之间的间隔大于在线空气反冲洗的时间间隔。这表明，在线清水反冲洗更能够有效地控制膜污染。

进行清水反冲洗总要消耗一定量的产水，频繁的反冲洗使出水量下降；反冲洗周期过长，无法长时间保持稳定的膜通量。所以，在MBR 系统中找到最佳反冲洗周期，使用最小反冲洗水量来达到最佳反冲洗效果是十分重要的。

（6）其他

除了上述方法之外，还可以通过改进MBR膜反应池和组件的结构或者改变MBR组件放置方式的方法来控制膜污染。

王宏杰等[41]通过两块玻璃挡板对MBR 反应器进行分隔，分成生物反应区和膜区，并将右侧膜区的底部设计为斜面利于进入膜区的污泥沉淀，使与膜接触的混合液的MLSS大幅下降，从而起到减缓膜污染的作用。Winzeler H B等[42]人采用扭转的弹簧连续不断的旋转多层平板膜，膜与膜表面溶液的动量差会产生很高的剪切速率，有效地减轻浓差极化。

另外，魏志刚等[43]研究表明，当膜倾30°放置时，气泡可以与整个纤维膜接触，冲刷，使污泥不易附着到膜丝上，并可以使附着的泥饼脱落进入泥水混和液中。在维持膜通量时，膜操作压力上升较慢。

5 寻求经济高效的清洗方法

当MBR运行一段时间后，膜孔堵塞或在膜表面形成了凝胶层，运行过程中的水力作用难以达到效果，必须进行膜清洗。常用的清洗方法有物理清洗、化学清洗、电清洗以及超声波清洗等。电清洗和超声波清洗效果最好，但运行费用太高，目前应用较少。单独采用物理清洗效果不理想；相比之下，化学清洗最为经济有效。一般最常用的清洗剂有柠檬酸、盐酸，氢氧化钠、氢氧化钾、次氯酸钠等[44]。为提高清洗效果，化学清洗的同时常辅以物理清洗，如曝气等。如果能够提高清洗效率，缩短清洗时间，MBR膜工作时间会相应增加，运行成本则相应减少。

实践中，应当根据污染物的性质及膜材质来选择合适的清洗方法[45]。比如碱性清洗剂可以有效去除蛋白质污染；酸类清洗剂可以溶解并去除无机矿物质和盐类[46]；氧化剂对去除膜孔内附着滋生的微生物和蛋白质等有机污染物有很好的效果[47]。一般两种或两种以上清洗药剂结合使用效果最好。李莹等[48]采用厌氧- 好氧MBR 工艺处理制药废水，用0.5%的次氯酸钠浸泡3h 后，膜比通量恢复可达到95%以上，然后采用1%的草酸对膜浸泡1 h 后，通量恢复可达98%。

但是，清洗时间不是越长越好。有研究表明[49]，使用酸或碱液清洗时，膜组件若浸泡时间过长，会重新吸附被酸和碱液溶解的有机物，故需把握适当的清洗时间。

酶是一种环境友好的清洗剂，在达到清洗效果的同时不会给系统带来二次污染。Baker[50]指出酶制剂能够有效地切断蛋白质和有机污染物的分子链，并且不会破坏膜的微孔结构和膜表面的润湿性。Poele[51]发现蛋白水解酶对胞外聚合物引起的吸附性污染的清洗效果最为显著，能够百分之百恢复膜的通量。因此利用酶制剂、微生物制剂、生物表面活性剂等对膜进行生物清洗是未来膜清洗技术的发展方向之一。

6 总结

由上述可以看出，开发新型膜材料、优化运行参数以及寻求高效的清洗方法仍是未来研究的重点。随着MBR工艺在水处理领域应用的不断推广，在技术上会更加成熟，必定会出现更多降低膜污染的方法。MBR工艺污水处理技术将会有越来越广泛的应用空间。

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